Tegenwoordig racet de wereld richting een toekomst van duurzame energie. Hoewel de uiteindelijke winnaar onbekend is, is waterstof een duidelijke koploper geworden, die talloze mogelijkheden biedt voor energieproductie, -distributie en -toepassing. Om het mysterie van de titel brandstofcelvoordelen op te lossen, beginnen we met wat brandstofcellen zijn en wat hun typen zijn. Daarna zullen we alles ontdekken over hun voor- en nadelen.
Brandstofcellen bestaan al meer dan 150 jaar en bieden een eindeloze, ecologisch veilige en constant beschikbare energiebron. Waarom worden ze dan nog niet overal gebruikt? Tot voor kort was dat vanwege de kosten. De cellen waren onbetaalbaar duur om te produceren. Dat is niet langer het geval.
Wat is een brandstofcel?
Een brandstofcel is een elektrochemisch apparaat dat chemische energie omzet in bruikbare elektrische stroom . Elke brandstofcel heeft twee elektroden, de anode en de kathode. Op de elektroden vinden de reacties plaats die elektriciteit opwekken.
Elke brandstofcel bevat ook een elektrolyt, die elektrisch geladen deeltjes van de ene elektrode naar de andere transporteert, en een katalysator, die de reacties bij de elektroden versnelt. Hoewel waterstof de meest basale brandstof is, hebben brandstofcellen ook zuurstof nodig. Een van de aantrekkelijkste aspecten van brandstofcellen is dat ze zeer weinig vervuiling produceren ; een groot deel van de waterstof en zuurstof die nodig zijn om energie op te wekken, mengt zich uiteindelijk tot een onschadelijk bijproduct, voornamelijk water.
Eén enkele brandstofcel produceert een verwaarloosbare hoeveelheid gelijkstroom (DC). In de praktijk worden meerdere brandstofcellen vaak op elkaar gestapeld. De concepten zijn hetzelfde, of het nu in een cel of een stapel is. Laten we hierna de voor- en nadelen van brandstofcellen onderzoeken.
4 Voordelen en nadelen van brandstofcellen
Sir William Robert Grove, een Welshe rechter, uitvinder en wetenschapper, vond in 1839 de eerste brandstofcel uit. Hij creëerde elektriciteit en water door waterstof en zuurstof te combineren in aanwezigheid van een elektrolyt. Deze innovatie, later bekend als de brandstofcel, genereerde niet genoeg elektriciteit om nuttig te zijn. Laten we daarom eens kijken naar enkele voor- en nadelen van de brandstofcel.
Voordelen
1. Geen opladen nodig
Een brandstofcel hoeft niet te worden opgeladen. Een brandstofcel kan energie repliceren totdat deze wordt voorzien van brandstof.
2. Geen gezondheidsproblemen
Brandstofcellen zijn niet gevaarlijk en veroorzaken geen gezondheidsproblemen, omdat ze tijdens de werking geen rook of smog produceren.
3. doeltreffend
Brandstofcellen zijn extreem efficiënt omdat ze chemische energie direct kunnen omzetten in elektrische energie. In vergelijking met andere toegankelijke marktalternatieven zijn brandstofcellen 60% efficiënter.
4. Vervuilingsvrij
Brandstofcellen hebben geen negatieve impact op luchtvervuiling. Dit is een van de meest opvallende voordelen van andere brandstofcelvoordelen. Omdat een brandstofcel geen mechanische onderdelen heeft, is deze volledig stil en dus ook geen geluidsoverlast.
Als waterstof als brandstof wordt gebruikt, zijn de enige bijproducten die worden waargenomen water, warmte en elektriciteit. Dit resulteert in een maximale efficiëntie en geen uitstoot van schadelijke stoffen.
Nadelen
1. Duur en niet duurzaam
Net als brandstofcellen hebben ze ook nadelen. Zoals: ze zijn vrij duur van aard. Brandstofcellen hebben een kortere levensduur.
2. Moeilijk op te slaan
Brandstofcellen zijn lastig op te slaan, omdat de brandstof die in de cellen wordt gebruikt op een specifieke temperatuur en druk moet worden gehouden.
3. Onveilig en gevaarlijk
Waterstof is een zeer brandbare brandstof, wat voor de hand liggende veiligheidsproblemen oplevert. In de lucht verbrandt waterstofgas in concentraties variërend van 4 tot 75%.
4. Moeilijk te extraheren
Ondanks dat het het meest voorkomende element in het heelal is, bestaat waterstof niet op zichzelf, dus moet het uit water worden gehaald door elektrolyse of worden geïsoleerd uit fossiele brandstoffen op basis van koolstof. Beide benaderingen vereisen een aanzienlijke hoeveelheid energie om te voltooien.
Deze energie kan duurder zijn dan die verkregen uit waterstof zelf. Bovendien vereist deze extractie, bij gebrek aan CCS, vaak het gebruik van fossiele brandstoffen, wat de ecologische geloofsbrieven van waterstof ondermijnt.
Wat zijn de verschillende soorten brandstofcellen?
Nadat we de voor- en nadelen van brandstofcellen hebben besproken, gaan we nu ook de verschillende typen brandstofcellen bekijken. Het belangrijkste verschil tussen brandstofcellen zit hem in het type elektrolyt dat wordt gebruikt . Deze classificatie definieert het type:
- Elektrochemische processen die in de cel plaatsvinden
- Het type katalysatoren dat nodig is
- Het temperatuurbereik waarbij de cel functioneert
- De benodigde brandstof en andere criteria.
Deze eigenschappen beïnvloeden op hun beurt de toepassingen waarvoor deze cellen het meest geschikt zijn. Er worden momenteel verschillende soorten brandstofcellen ontwikkeld, elk met zijn eigen set voordelen, beperkingen en mogelijke toepassingen. Lees hieronder meer over de soorten brandstofcellen.
1. Elektrolytmembraanpolymeerbrandstofcellen
Polymeer-elektrolytmembraan (PEM) brandstofcellen, ook wel protonenuitwisselingsmembraanbrandstofcellen genoemd, hebben een hoge vermogensdichtheid en een laag gewicht en volume in vergelijking met conventionele brandstofcellen. De elektrolyt van PEM-brandstofcellen is een vast polymeer en de elektroden bestaan uit poreus koolstof met een platina- of platinalegeringskatalysator. Ze hebben alleen waterstof, zuurstof uit de lucht en water nodig om te functioneren. Ze worden doorgaans gevoed door zuivere waterstof die wordt aangevoerd vanuit opslagtanks of reformers.
PEM-brandstofcellen werken bij lage temperaturen , doorgaans rond de 80 °C. De lage temperatuur zorgt ervoor dat ze snel opstarten (met een kortere opwarmtijd) en resulteert in minder slijtage van de systeemcomponenten, wat leidt tot een langere levensduur. Dit vereist echter wel het gebruik van een edelmetaalkatalysator (meestal platina) om de elektronen en protonen van waterstof te scheiden, wat de systeemkosten verhoogt. Omdat de platinakatalysator bijzonder gevoelig is voor koolmonoxidevergiftiging, is een extra reactor nodig om koolmonoxide uit het brandstofgas te verwijderen als de waterstof wordt geproduceerd uit een koolwaterstofbrandstof. Deze reactor is eveneens kostbaar.
PEM-brandstofcellen worden voornamelijk gebruikt in transport en sommige stationaire toepassingen. PEM-brandstofcellen zijn met name geschikt voor gebruik in automobieltoepassingen zoals personenauto's, bussen en zware vrachtwagens.
2. Cellen voor directe methanolbrandstof
De meeste brandstofcellen worden aangedreven door waterstof, dat rechtstreeks in het systeem kan worden gebracht of in het systeem kan worden geproduceerd door waterstofrijke brandstoffen zoals methanol, ethanol en koolwaterstofbrandstoffen te reformeren. Directe methanolbrandstofcellen (DMFC's) worden echter aangedreven door pure methanol , die doorgaans wordt gemengd met water en rechtstreeks naar de anode van de brandstofcel wordt geleid.
Omdat methanol een hogere energiedichtheid heeft dan waterstof, maar lager dan benzine of diesel, vermijden directe methanolbrandstofcellen veel van de problemen met brandstofopslag die sommige brandstofcelsystemen teisteren. Omdat methanol, net als benzine, vloeibaar is, is het ook gemakkelijker te transporteren en te leveren aan het publiek met behulp van onze huidige infrastructuur. DMFC's worden vaak gebruikt om draagbare brandstofceltoepassingen zoals mobiele telefoons en laptops van stroom te voorzien.
3. Cellen voor alkalische brandstof
Alkalische brandstofcellen (AFC's) behoorden tot de eerste brandstofceltechnologieën die werden uitgevonden en waren het eerste type dat op grote schaal werd gebruikt in het Amerikaanse ruimtevaartprogramma om elektrische energie en water aan boord van ruimtevaartuigen op te wekken. De elektrolyt in deze brandstofcellen is een oplossing van kaliumhydroxide in water , en de anode en kathode kunnen bestaan uit een aantal niet-edele metalen.
Een belangrijk probleem voor dit type brandstofcel is de gevoeligheid voor koolstofdioxidevergiftiging (CO2). Zelfs sporen van CO2 in de lucht kunnen een aanzienlijke invloed hebben op de prestaties en duurzaamheid van de cel vanwege de vorming van carbonaten. Alkalinecellen met vloeibare elektrolyten kunnen in een recirculatiemodus werken, waardoor de elektrolyt geregenereerd kan worden om de effecten van carbonaatvorming in de elektrolyt te verminderen, maar dit brengt ook problemen met lekstromen met zich mee.
Bijkomende problemen met vloeibare elektrolytsystemen zijn onder andere bevochtigbaarheid, verhoogde corrosie en moeilijkheden bij het beheersen van drukverschillen. Deze problemen worden aangepakt door alkalische membraanbrandstofcellen (AMFC's), die minder gevoelig zijn voor CO2-vergiftiging dan AFC's met vloeibare elektrolyt. CO2 blijft echter een impact hebben op de prestaties, en de prestaties en duurzaamheid van AMFC's blijven achter bij die van PEMFC's.
AMFC's worden onderzocht voor toepassingen variërend van watt tot kW. Tolerantie voor koolstofdioxide, membraangeleidbaarheid en duurzaamheid, werking bij hogere temperaturen, waterbeheer, vermogensdichtheid en anode-elektrokatalyse vormen allemaal uitdagingen voor AMFC's.
4. Cellen van fosforzuur
PAFC's gebruiken vloeibaar fosforzuur als elektrolyt (het zuur bevindt zich in een met Teflon gebonden siliciumcarbide matrix) en poreuze koolstofelektroden met een platina-katalysator. Het diagram rechts toont de elektrochemische reacties die in de cel plaatsvinden.
De PAFC wordt beschouwd als een brandstofcel van de "eerste generatie". Het is een van de meest ontwikkelde celtypen en de eerste die commercieel verkrijgbaar is. Hoewel dit type brandstofcel normaal gesproken wordt gebruikt voor het opwekken van stationaire stroom, worden sommige PAFC's ook gebruikt om grote voertuigen, zoals stadsbussen, aan te drijven.
PAFC's zijn beter bestand tegen onzuiverheden in gereformeerde fossiele brandstoffen dan PEM-cellen, die gemakkelijk "vergiftigd" worden door koolmonoxide omdat koolmonoxide zich bindt aan de platina-katalysator aan de anode, waardoor het rendement van de brandstofcel afneemt. PAFC's hebben een rendement van meer dan 85% bij gebruik voor zowel elektriciteits- als warmteopwekking, maar een lager rendement bij gebruik voor alleen elektriciteitsopwekking (37%-42%).
Het rendement van PAFC's is slechts iets hoger dan dat van verbrandingscentrales, die normaal gesproken een rendement van ongeveer 33% halen. Bij hetzelfde gewicht en volume zijn PAFC's bovendien minder krachtig dan andere brandstofcellen. Daardoor zijn deze brandstofcellen doorgaans groot en zwaar. PAFC's zijn ook kostbaar. Ze vereisen aanzienlijk meer platina-katalysator dan andere typen brandstofcellen, wat de kosten verhoogt.
5. Brandstofcellen voor gesmolten carbonaat
Gesmolten-carbonaatbrandstofcellen (MCFC's) worden ontwikkeld voor aardgas- en kolencentrales, maar ook voor elektriciteitsbedrijven, de industrie en het leger. MCFC's zijn brandstofcellen die op hoge temperatuur werken en een elektrolyt gebruiken dat bestaat uit gesmolten carbonaatzouten die zweven in een poreuze, chemisch inerte keramische lithiumaluminiumoxide-matrix. Niet-edele metalen kunnen als katalysatoren aan de anode en kathode worden gebruikt, omdat ze werken bij hoge temperaturen van 650 °C (ongeveer 1,200 °F).
Een andere reden waarom MCFC's aanzienlijke kostenbesparingen opleveren ten opzichte van fosforzuurbrandstofcellen, is de verbeterde efficiëntie . In combinatie met een turbine kunnen gesmolten-carbonaatbrandstofcellen een rendement van bijna 65% behalen, wat aanzienlijk hoger is dan de 37%-42% van een fosforzuurbrandstofcel. Het totale brandstofrendement kan zelfs meer dan 85% bedragen wanneer restwarmte wordt teruggewonnen en benut.
MCFC's hebben geen externe reformer nodig om aardgas en biogas om te zetten in waterstof. Omdat MCFC's op hoge temperaturen werken, worden methaan en andere lichte koolwaterstoffen in deze brandstoffen binnen de brandstofcel zelf omgezet in waterstof via een proces dat bekend staat als interne reformering, wat ook kostenbesparend is.
Het grootste nadeel van de bestaande MCFC-technologie is de korte levensduur . De hoge bedrijfstemperaturen van deze cellen, samen met de bijtende elektrolyt die wordt gebruikt, versnellen de afbraak en corrosie van componenten, waardoor de levensduur van de cel wordt verkort. Wetenschappers onderzoeken momenteel corrosiebestendige materialen voor componenten, evenals brandstofcelontwerpen die de levensduur van de cel kunnen verdubbelen van de huidige 40,000 uur (vijf jaar) zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties.
6. Cellen voor vaste-oxidebrandstof
In solid oxide fuel cells (SOFC's) is de elektrolyt een dicht, niet-poreus keramisch materiaal . SOFC's zetten brandstof om in elektriciteit met een rendement van ongeveer 60%. Het totale brandstofgebruiksrendement kan oplopen tot meer dan 85% in systemen die ontworpen zijn om de restwarmte van het systeem op te vangen en te benutten (warmtekrachtkoppeling).
SOFC's functioneren bij extreem hoge temperaturen , tot wel 1,000 °C. Door de hoge temperatuur is een edelmetaalkatalysator niet nodig, wat de kosten verlaagt. Bovendien kunnen SOFC's brandstoffen intern reformeren, waardoor ze een breder scala aan brandstoffen kunnen gebruiken en de kosten voor het toevoegen van een reformer aan het systeem lager worden.
SOFC's zijn ook het meest zwavelbestendige type brandstofcel, in staat om ordes van grootte meer zwavel te weerstaan dan andere celtypen. Bovendien worden ze niet geschaad door koolmonoxide, dat zelfs als brandstof kan worden gebruikt. Deze eigenschap stelt SOFC's in staat om aardgas, biogas en van steenkool afgeleide gassen te gebruiken. Er zijn nadelen aan het werken bij hoge temperaturen.
Het veroorzaakt een vertraagde start en vereist uitgebreide thermische afscherming om warmte te behouden en werknemers te beschermen, wat prima is voor nutsvoorzieningen, maar niet voor transport. Vanwege de hoge bedrijfstemperaturen moeten materialen aan strenge duurzaamheidseisen voldoen. De grootste technische uitdaging voor deze technologie is de ontwikkeling van goedkope materialen met een hoge weerstand tegen de bedrijfstemperaturen van de cel.
Wetenschappers onderzoeken nu de mogelijkheid om SOFC's met een lagere temperatuur te bouwen die werken bij of onder 700°C, minder duurzaamheidsproblemen hebben en minder duur zijn. SOFC's met een lagere temperatuur hebben de prestaties van systemen met een hogere temperatuur nog niet geëvenaard en stapelmaterialen voor dit lagere temperatuurbereik worden nog steeds ontwikkeld.
7. Omkeerbare brandstofcellen
Omkeerbare brandstofcellen, net als conventionele brandstofcellen, wekken elektriciteit op uit waterstof en zuurstof en produceren daarbij warmte en water als bijproducten. Omkeerbare brandstofcelsystemen kunnen daarentegen elektriciteit van zonne-, wind- of andere bronnen gebruiken om water te splitsen in zuurstof en waterstofbrandstof via een proces dat elektrolyse wordt genoemd.
Omkeerbare brandstofcellen kunnen elektriciteit opwekken wanneer dat nodig is, maar tijdens perioden met een hoge energieproductie van andere technologieën (bijvoorbeeld wanneer harde wind zorgt voor een overschot aan beschikbare windenergie) kunnen omkeerbare brandstofcellen de overtollige energie opslaan in de vorm van waterstof. Deze energieopslagcapaciteit heeft het potentieel om een revolutie teweeg te brengen in de technologie voor intermitterende hernieuwbare energie. Laten we vervolgens eens kijken naar het werkingsprincipe van brandstofcellen.
Zie ook: Top 3 aandelen in groene energie in India
Wat is het werkingsprincipe van een brandstofcel?
Nadat je meer hebt geleerd over de voordelen van brandstofcellen, is het ook belangrijk om het werkingsprincipe ervan te begrijpen. Een brandstofcel bestaat uit twee elektroden, een anode en een kathode, gescheiden door een elektrolytmembraan. Waterstof, methaan, ethaan, ethanol en andere organische brandstoffen kunnen in een brandstofcel worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Deze brandstoffen ondergaan onvolledige verbranding en produceren warmte als bijproduct. De meeste van deze reacties zijn redoxreacties en produceren water en koolstofdioxide als bijproducten.
Het transport van elektronen in redoxreacties resulteert in de omzetting van chemische energie in elektrische energie. Tussen de elektroden ligt een elektrolytsubstantie. Brandstof wordt afzonderlijk aan elke elektrode geleverd. Veronderstel dat in een brandstofcel waterstof aan de anode wordt geleverd en lucht aan de kathode wordt gevoerd. In dit geval heeft de katalysator aan de anodezijde van de cel de neiging om de waterstofmoleculen af te breken tot kleinere deeltjes, zoals protonen en elektronen.
Beide elementen proberen via verschillende routes naar de kathode te reizen. De elektronen volgen een extern kanaal naar de kathode, wat stroom levert, terwijl de protonen door het elektrolytmembraan naar de kathode gaan, waar ze reageren met zuurstofmoleculen en elektronen om water en warmte als bijproducten te vormen.
Lees ook: Top 30+ bedrijven in hernieuwbare energie in India
Noem enkele toepassingen van brandstofcellen
Laten we eens kijken naar tien toepassingen voor waterstofbrandstofcellen, waarvan u er misschien een aantal nog niet kent!
1. Magazijnbeheer: Verschillende grote magazijn- en distributieorganisaties stappen over op waterstofbrandstofcellen om schone vrachtwagens, heftrucks, palletwagens en andere apparatuur aan te drijven.
2. Internationale distributie: Brandstofcellen hebben het bereik en vermogen dat nodig is voor transport over lange afstanden en lokale distributie. Nikola, Hyundai, Toyota, Kenworth en UPS produceren al waterstofvrachtwagens en -bestelwagens.
3. Bussen: Waterstofenergie wordt onderzocht voor gebruik in verschillende vormen van openbaar vervoer, waaronder bussen met waterstofbrandstofcellen. Verschillende grote steden hebben geëxperimenteerd met bussen op waterstof, waaronder Chicago, Vancouver, Londen en Peking.
4. Treinen: Treinen met waterstofbrandstofcellen zijn nu in Duitsland aangekomen en naar verwachting zullen er de komende vijf jaar meer van dit type treinen arriveren in het Verenigd Koninkrijk, Frankrijk, Italië, Japan, Zuid-Korea en de Verenigde Staten.
5. Personenauto's: Negen grote autofabrikanten werken aan elektrische voertuigen met waterstofbrandstofcellen (HFCEV's) voor persoonlijk gebruik. Toyota Mirai, Honda Clarity, Hyundai Nexo en BMW iHydrogen Next behoren tot de meest opvallende modellen.
6. Vliegtuigen: Verschillende experimentele projecten, waaronder de Pathfinder- en Helios-prototypes, hebben het gebruik van waterstofbrandstofcellen in de ruimtevaart onderzocht. Deze onbemande langeafstandsvoertuigen maakten gebruik van een hybride systeem met waterstofbrandstofcellen die werden aangedreven door zonnepanelen, waardoor theoretisch onbeperkte, continue vluchten overdag en 's nachts mogelijk waren.
7. Opwekking van noodstroom: Stationaire brandstofcellen worden gebruikt in UPS-systemen (Uninterruptible Power Supply) waar continue beschikbaarheid belangrijk is. Ziekenhuizen en datacenters maken steeds vaker gebruik van waterstof voor noodstroomvoorziening. Microsoft kwam onlangs in het nieuws met een succesvolle test van zijn nieuwe waterstofgeneratoren voor noodstroomvoorziening, waardoor een server in een datacenter twee dagen lang volledig op waterstof kon draaien.
8. Mobiele energieopwekking: Waterstof biedt talloze mogelijkheden voor mobiele energieopwekking. NASA produceerde bijvoorbeeld enkele van de eerste waterstofbrandstofcellen om raketten en ruimtevaartuigen in de ruimte van stroom te voorzien.
9. Onbemande luchtvaartuigen (UAV's): Veel innovatieve toepassingen van UAV's (drones), variërend van pakketbezorging tot zoek- en reddingsmissies, worden ernstig belemmerd door het vermogen en het bereik van standaardbatterijen. Zowel het leger als het bedrijfsleven willen deze problemen aanpakken met waterstofbrandstofcellen, die tot drie keer zo groot bereik hebben als apparaten op batterijen. Brandstofcellen bieden een hogere energie-massaverhouding en kunnen binnen enkele minuten worden opgeladen.
10. Boten en onderzeeërs: Waterstofbrandstofcellen worden in diverse maritieme toepassingen gebruikt. Sommige boten, zoals de Energy Observer, produceren zelfs hun eigen waterstof voor een brandstofcelsysteem met behulp van zonnepanelen en windturbines aan boord. Waterstofbrandstofcellen bieden een alternatief voor kernenergie voor militaire stealth-onderzeeërs zoals de Duitse Type 212, met een groot bereik, stille vaart en weinig uitlaatwarmte.
Brandstofcellen zijn een veelbelovende vervanging voor de huidige autobrandstoffen. Hoewel bepaalde onderdelen van de technologie, zoals effectieve opslag aan boord, meer ontwikkeling vereisen, is er geen reden waarom brandstofcellen niet net zo'n handige en aantrekkelijke transportbrandstof kunnen worden als diesel of benzine vandaag de dag. Ik hoop dat dit artikel het gemakkelijk maakte om de voor- en nadelen van brandstofcellen te begrijpen. Deel uw vragen in de commentaarsectie.
Aanbevolen: Voordelen en nadelen van getijdenenergie
